Вопросы для самоподготовки к зачетам и экзаменам по материаловедению

 Газы. Основные газы, которые попадают в сталь – O, N, H. O и N образуют оксиды и нитриты, которые охрупчивают сталь. Особенно вредно присутствие в стали H, который приводит к внутренним надрывам в металле с образованием, т.н. флокены. Устранение газов возможно при выплавке стали в электропечах или вакууме.

!Углеродистые конструкционные стали подразделяются на стали обыкновенного качества и качественные. Буквы «Ст» в марке стали обозначают «сталь», цифры — условный номер марки (с увеличением номера возрастает в стали содержание углерода. В зависимости от условий и степени раскисления различают стали:   1)  спокойные «сп» Ст1сп)  2)   полуспокойные   «ПС»   (Стпc);  3)   кипящие «кп»  (Сткп). В их составе разное массовое содержание кремния и кислорода: в спокойных 0,15—0,3 % Si и —0,002 %   О₂; в полуспокойных 0,05—0,15 % Si и —0,01 % 0₂ и в кипящих — не более 0,05 % Si и ~0,02 % О₂. Спокойные стали получают полным раскислением стали ферромарганцем, ферросилициумом, алюминием в печи, а затем в ковше. Они застывают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только ферромарганцем и до затвердевания в них содержится повышенное количество FeO. При застывании в изложнице FeO взаимодействует с углеродом стали, образуя СО, который выделяется в виде пузырьков, создавая впечатление, что металл кипит. Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наиболее дешевые. В процессе выплавки они меньше очищаются от вредных примесей. Массовая доля серы должна быть не более 0,05 % , фосфора — не более 0,04 % и азота — не более 0,008 %.  Стали отливают в крупные слитки, вследствие чего в них раз-вита ликвация и они содержат сравнительно большое количество неметаллических включений.  С повышением условного номера марки стали возрастает пре дел прочности и текучести и снижается пластичность. Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы и поковки. Стали в состоянии поставки широко применяют в строительстве для сварных, клепаных и болтовых конструкций, реже для изготовления малонагруженных   деталей машин (валы, оси, зубчатые колеса и т. д.). Кипящие стали (Ст1кп), содержащие повышенное количество кислорода, имеют порог хладноломкости на 30— 40 °С выше, чем стали спокойные (Ст1сп). Поэтому для ответственных сварных конструкций, а также работающих при низких климатических температурах применяют спокойные, стали (Ст1сп, Ст2сп, СтЗсп). С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Поэтому стали Ст5 и Ст6 с более высоким содержанием углерода применяют для элементов строительных конструкций, не подвергаемых сварке. Стали, предназначенные для сварных конструкций, должны обладать малой чувствительностью к термическому старению, а стали, подвергаемые холодной правке и гибке, — малой склонностью к деформационному старению. Стали обыкновенного качества нередко имеют специализированное назначение (моего- и судостроение, сельскохозяйственное машиностроение и т. д.) и поступают по особым техническим условиям. Низкоуглеродистые стали СтЗ, Ст4 и другие обладают малой устойчивостью переохлажденного аустенита ' (высокой критической скоростью закалки)» поэтому после закалки мартенсит не образуется. Качественные углеродистые стали. Эти стали (ГОСТ 1050—74) выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. К ним предъявляют более высокие требования по химическому составу и структуре: содержание S<0,04%, P < 0,035-0,04 %, а также меньшее количество неметаллических включений, регламентированные макро- и микроструктура. Качественные углеродистые стали маркируют цифрами 08, 10, 15, 20, ..., 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Низкоуглеродистые стали (содержание углерода <0,25 %) 05кп, 08, 07кп, 10, 10кп обладают невысокой прочностью и высокой пластичностью. s_в = 330-340 МПа, s_0,2= 200-210 МПа и δ = ЗЗ-31 % . Эти стали без термической обработки применяют для малонагруженных деталей. Тонколистовую холоднокатаную низкоуглеродистую сталь используют для холодной штамповки изделий. Стали 15, 15кп, 20, 25 чаще применяют без термической обработки или в нормализованном состоянии. Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций, а также для деталей машин, упрочняемых цементацией. Среднеуглеродистые стали (0,3—0,5 % С) 30, 35, 40, 45, 50, 55 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения. Эти стали в нормализованном состоянии по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности (s_в = 500-5-610 МПа, s_0,2= 300-360 МПа, δ = 21 -16 %). Стали в отожженном состоянии хорошо обрабатываются резанием. Наиболее легко обрабатываются доэвтектоидные стали со структурой пластинчатого перлита. Прокаливаемость сталей невелика; критический диаметр после закалки в воде не превышает 10—12 мм (95 % мартенсита). В связи с этим их следует применять для изготовления небольших деталей или более крупных, но не требующих сквозной прокаливаемости. Для повышения прокаливаемости стали добавочно легируют марганцем (40Г, 50Г). Стали с высоким содержанием углерода (0,6—0,85 %  С) 60, 65, 70, 80 и 85 обладают повышенной прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяют их после закалки и отпуска, нормализации и отпуска и поверхностной закалки для-j деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких! статических вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготовляют пружины  и   рессоры,   шпиндели,   замковые шайбы,   прокатные, валки и т. д.

 Способы производства стали.

 Различают бессемеровский, кислородно-конверторный, мартеновский и способ выплавки в дуговых и индукционных печах.

 Бессемеровский  способ в настоящее время практически  не применяется  в связи с низким качеством полученной стали. Сущность способа состоит  продувке жидкого чугуна воздухом. Кислород воздуха окисляет  углерод, доводя его содержание до количества, необходимого в стали. Низкое качество стали обусловлено тем, что в процессе продувки воздухом  сталь насыщается  азотом. Кроме того, вредные примеси (сера, фосфор) не удаляются.

 В отличие от  бессемеровского способа, при кислородно-конверторном способе продувку жидкого чугуна осуществляется чистым кислородом. При этом, равно как и в мартеновском способе, в зависимости от состава шлаков и флюсов, футеровка печи бывает основной (магнезит, хромомагнезит) или кислой (динас).   Футеровку выбирают так, чтобы не проходила реакция  между шлаком и футеровкой. При основном процессе из стали в большей степени удаляется фосфор, в меньшей -- сера. Однако при этом сталь содержит большее количество газов. Более дорогой кислый  процесс проводят в том случае, когда нужно получить  чистую по газам сталь.

 Наиболее  качественная сталь получается при  выплавке в дуговых и индукционных печах.

 В зависимости  от степени раскисления различают  стали спокойные, кипящие и полуспокойные. Спокойные стали получают при раскислении марганцем, алюминием, кремнием и обозначают СП. Кипящую сталь получают при раскислении только марганцем. Обозначают такие стали  КП. Полуспокойные стали  раскисляют марганцем и кремнием и обозначаются  ПС.

 Углеродистые  стали общего назначения (обыкновенного  качества).

 Потребителю с металлургических заводов стали  поставляются в виде проката (ленты, прутки, швеллеры, трубы ). Раньше по  ГОСТу стали обыкновенного качества  поставляли по трем группам:

• А - с  гарантированными механическими свойствами;
• Б  - с  гарантированным химическим составом;
• В  - с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.

 Стали маркировались : группа   А - Ст.0,Ст.1,..,Ст.6; группа   Б - с указанием способа  выплавки - БСт.1,МСт.1 , где

 Б - бессемеровский , а М - мартеновский способы выплавки; группа  В: - ВСт.1.

 В соответствии с ГОСТом , вступившим в действие с 90 г., с учетом того, что стали  выплавляют преимущественно электро-способами, стали обыкновенного качества маркируют просто Ст.1,..,Ст.6, где за цифрой может стоять способ раскисления: Ст.1КП. Ст.1ПС, Ст.1СП.

Классификация сталей по качеству:Стали обыкновенного кач-ва. Дешевые стали, в них допускается повышенное содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, т.к. они выплавляются по нормам массовой технологии. Стали обыкн. кач-ва выпускают в виде проката (балки, прутки, листы, уголки, трубы, швеллеры и т.д.), а также поковок. В зав-ти от гарантированных св-в бывают трех групп: А, Б, В. Стали маркируются сочетанием букв «Ст» и цифрой (от 0 до 6), показывающие номер марки. Стали групп Б и В имеют перед маркой Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам. Группа А в обозначениях марки стали не указывается. Степень раскисления обозначается добавлением индексов: спокойные – сп; полуспокойные – пс; кипящие – кп (Ст3сп; БСт3пс; ВСт3кп). Широко прим. Ст3. Стали группы А поставляются с гарантированными мех. св-вами. Хим. состав не указывается. Стали группы А используют в горячекатаном состоянии для изделий, изготовление которых не сопровождается горячей обработкой. Стали гр. Б поставляются с гарантир. хим. составом. Мех. св-ва не гарантируются. Их прим. для изделий, изготовляемых с прим. горячей обработки, при кот. исходная структура и мех. св-ва не сохраняются. Стали гр. В поставляются с гарант. мех. и хим. св-ми. Их широко прим. для произ-ва сварных конструкций. В этом случае важно знать исходные мех. св-ва стали, т.к. они сохран-ся неизменными в участках, не подвергаемых нагреву при сварке. Углеродистые стали обыкн. кач-ва предназнач. для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Их прим. когда работоспособность деталей и конструкций определяется жесткостью. Из сталей номеров 1-4 изготавливают сварные фермы, рамы, и др. строительные металлоконструкции. Среднеуглеродистые стали номеров 5, 6 обладают большой прочностью, прим. для рельсов, ж.д. колес, а также валов, шестерен, шкивов.

Стали качественные и высококачественные

Эти стали характеризуются  более низким, чем у сталей обыкновенного  качества, содержанием вредных примесей (0,03 S и P). Они поставляются в виде проката. Поковок др. полуфабрикатов с гарантированным хим. составом и мех. св-вами. Маркируются двухзначными числами 05, 08, 10, 15, 20,…,85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях % (ГОСТ 1050-88). Спокойные стали маркируются без индекса, полуспокойные – пс, кипящие – кп. Если сталь высококач-венная, то в конце ставится буква А (Сталь45А). Содержание S и P не более 0,02%. Кач-венные стали находят многостороннее применение в технике, т.к. в зав-ти от содерж. С и термической обработки обладают разнообразными мех. и технологич. св-вами. Стали 05, 08, 10 – малопрочные, высокопластичные, их прим. для холодной штамповки различных изделий. Без т/о в горячекатаном состоянии их используют для шайб, прокладок, кожухов и т.д. Стали 15, 20, 25 – цементуемые, для деталей небольшого размера: кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

28.. Классификация чугунов. Влияние формы выделений графита на свойства чугуна. Сплав железа с углеродом (>2,14 % С) называют чугуном. Присутствие эвтектики в структуре чугуна обусловливает его использование исключительно в качестве литейного сплава. Углерод в чугуне может находиться в виде цементита или графита, или одновременно в виде цементита и графита. Цементит придает излому специфический светлый блеск. Поэтому чугун, в котором весь углерод находится в виде цементита, называют белым. Графит придает излому чугуна серый цвет, поэтому чугун называют серым. В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие чугуны: серый, высокопрочный и ковкий. 1. СЕРЫЙ   И   БЕЛЫЙ   ЧУГУНЫ Серый чугун (технический) представляет собой, по существу, сплав Fe—Si—С, содержащий в качестве постоянных примесей Mn, P и S. В структуре серых чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита. Характерная особенность структуры серых чугунов, определяющая многие его свойства, заключается в том, что графит имеет в поле зрения микрошлифа форму пластинок. В зависимости от содержания углерода, связанного в цементит, различают: 1.  Белый чугун в котором весь углерод находится в виде цементита Fe3C. Структура такого чугуна — перлит, ледебурит и цементит. 2.  Половинчатый чугун, большая часть углерода (>0,8 %) находится в виде Fe3C. Структура такого чугуна — перлит, ледебурит и пластинчатый графит . 3.  Перлитный серый чугун структура чугуна— перлит и пластинчатый графит.  В этом чугуне 0,7—0,8 % С находится в виде Fe3C, входящего в состав перлита.; 4. Ферритно-перлитный серый чугун. Структура такого чугуна - перлит, феррит и пластинчатый графит. В этом чугуне в зависимости от степени распада эвтектоидного цементита в связанном состоянии находится от 0,7 до 0,1 % С 5. Ферритный серый чугун. Структура — феррит и пластинчатый графит. В этом случае весь углерод находится в виде графита. При данном содержании углерода и кремния графитизация протекает тем полнее, чем медленнее охлаждение. В производственных условиях скорость охлаждения удобно характеризовать по толщине стенки отливки. Чем тоньше отливка, тем быстрее охлаждение и в меньшей степени протекает графитизация Механические свойства чугуна обусловлены его структурой, главным образом графитной составляющей. Чугун можно рассматривать как сталь, пронизанную графитом, который играет роль надрезов, ослабляющих металлическую основу структуры В этом случае механические свойства будут зависеть от количества величины и характера распределений включений графита Чем меньше графитных включений, чем они мельче и больше степень изолированности их, тем выше прочность чугуна Чугун с большим количеством прямолинейных крупных графитных выделении, разделяющих его металлическую основу, имеет грубозернистый излом и низкие механические свойства. Чугун с мелкими и завихренными графитными выделениями обладает более высокими свойствами. Пластинки графита уменьшают сопротивление отрыву, временное сопротивление и особенно сильно пластичность чугуна. Относительное удлинение при растяжении серого чугуна независимо от свойств металлической основы практически равно нулю (~0,5 %). Графитные включения мало влияют на снижение предела прочности при сжатии и твердость, величина их определяется главным образом структурой металлической основы чугуна. При сжатии чугун претерпевает значительные деформации и разрушение имеет характер среза под углом 45°. Разрушающая нагрузка при сжатии в зависимости от качества чугуна и его структуры в 3—5 раз больше, чем при растяжении. Поэтому чугун рекомендуется использовать преимущественно для изделий, работающих на сжатие. 2. ВЫСОКОПРОЧНЫЙ   ЧУГУН С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ Высокопрочными называют чугуны с шаровидным графитом, который образуется в литой структуре в процессе кристаллизации. Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый графит, и не является активным концентратором напряжений. Для получения шаровидного графита чугун модифицируют, чаше путем обработки жидкого металла магнием (0,03—0,07 %) или введением 8—10 % магниевых лигатур с никелем или ферросилицием. Под действием магния графит в процессе кристаллизации принимает не пластинчатую, а шаровидную форму. Чугуны с шаровидным графитом (ЧШГ) имеют более высокие механические свойства, не уступающие свойствам литой углеродистой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокую износостойкость и т. д. Обычный состав чугуна: 3,2—3,6 % С 3. ковкий чугун Ковкий чугун получают длительным нагревом при высоких температурах (отжигом) отливок из белого чугуна. В результате отжига образуется графит хлопьевидной формы. Такой графит по сравнению с пластинчатым меньше снижает прочность и пластичность металлической основы структуры чугуна. Чугун имеет пониженное содержание углерода и кремния

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

29. Сверхпластичность металлов и сплавов. Под сверхпластичностью понимают способность металла к незначительной пластической деформации (s=102-103%) в определенных условиях при одновременно малом сопротивлении деформированию (10° — 101 МПа). Существуют следующие разновидности сверхпластичности.  1. Структурная, которая проявляется при температурах  > 0,5 Тпл в металлах и сплавах с величиной зерна от 0,5 до 10 мкм и небольших скоростях деформации2 (10-5 — 10-1 с-1). 2. Субкритическая (свёрхпластичность превращения), наблюдающаяся вблизи начала фазовых превращений, например, полиморфных. Наиболее перспективен процесс структурной сверхпластичности. Сверхпластичность не является свойством каких-то особых сплавов и при соответствующей подготовке структуры и в определенных условиях деформации проявляется у большого числа сплавов, обрабатываемых давлением. Известно много сплавов на основе магния, алюминия, меди, титана и железа, деформирование которых возможно в режимах сверхпластичности. Сверхпластичность может иметь место лишь при условии, когда в процессе деформации (растяжения образца) не образуется локальной деформации. При локализации деформации в образце возникает местное утонение шейки и он сравнительно быстро разрушается. Высокое сопротивление образованию шейки при растяжении образца в условиях сверхпластичности связано с большой чувствительностью напряжения течения а к изменению скорости деформации e: s = kem, где k — коэффициент, зависящий от структуры и условий испытания; т — показатель скоростной чувствительности напряжения течения. Для идеально вязких (ньютоновских) твердых тел т = 1 и удлинение не должно сопровождаться образованием шейки. В случае обычной пластической деформации т < 0,2, а в условиях сверхпластической деформации т > 0,3 (обычно 0,4—0,7). Когда при сверхпластической деформации начинается образование шейки, в этом участке образца возрастает e и из-за высокого значения т увеличивается сопротивление течению а, благодаря чему образование шейки прекращается. Этот процесс непрерывно повторяется,   приводя  к образованию так называемой бегущей шейки (размытых шеек), когда она перемещается по длине образца, не давая локализованного сжатия. При такой квазиравномерной деформации достигаются очень большие удлинения при растяжении образца. Структурная сверхпластическая деформация протекает главным образом благодаря зернограничному скольжению, хотя в определенной степени существует и внутризеренное дислокационное скольжение. Проблема создания промышленного структурного сверхпластичного материала — это прежде всего получение ультрамелкого равноосного зерна и сохранение его при сверхпластической деформации. Стабилизация размеров зерна достигается: 1) применением двухфазных сплавов с объемным соотношением фаз 1:1; в этом случае имеет место максимальное развитие межфазовой поверхности, что обеспечивает взаимное торможение роста зерен фаз; 2) использованием дисперсных выделений, являющихся барьером для перемещения границ зерен. В настоящее время для обработки в состоянии сверхпластичности чаще используют цинкоалюминиевый сплав ЦА22 (22 % А1), титановые а α+β-сплавы, двухфазные – α+γ’-сплавы меди и цинка (латунь), алюминиевый сплав, состоящий из α-раствора и дисперсных частиц Al3Zr, и некоторые другие. Явление сверхпластичности в промышленности используют при объемной изотермической штамповке и при пневмоформовке. Сверхпластичность позволяет в процессе штамповки за одну операцию получить детали сложной формы, повысить коэффициент использования металла, уменьшить трудоемкость и стоимость изготовления изделий. Недостатком является необходимость нагрев штампов до температуры обработки и малая скорость деформаций.